角色动作驱动技术在计算机图形学中的研究与应用

在三维计算机动画中，把人体作为其中的角色一直是研究者感兴趣的目标，因而关节动画越来越成为人们致力解决的研究课题。近期在这一方面的工作令人惊叹不已，如电影《终结者》和电影《侏罗纪公园》。虽然计算机动画在广告、娱乐、教育、科学计算可视化和仿真等领域占据越来越重要的角色，人体和动物动画的许多问题仍未能很好解决。人体具有200个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规则，人的肌肉随着人体的运动而变形，人的个性、表情等千变万化。可以说，人体动画是计算机动画中最富挑战性的课题之一。

人们对于虚拟角色的要求不仅需要形象的真实感，也需要运动的真实感，也就是说，虚拟角色的成功仿真取决于两方面的努力，一方面是角色模型变形的效果是否接近于真实，另一方面是角色的动作序列是否协调真实。对于模型变形结果的真实感需要通过使用更优秀的模型和改进变形算法来提高，而角色动作序列的协调性与真实感，需要通过获取更接近于真实的动作数据来保障。

对于模型变形算法，研究者们提出了大量的适用于各种模型的变形方法，在本书的第3章和第4章中，也对模型变形方法进行了较显著的改进。角色运动的协调性和真实感，需要使虚拟角色拥有与现实世界中相同的运动动作来实现，因此，如何驱动场景中的虚拟角色，使其按照用户希望的方式进行运动，产生效果良好的运动行为是计算机角色仿真的另一重要研究课题。

虚拟角色的运动动作配置一般分为两个层次，即单个动作的真实性和整套动作的连贯性。单个动作的真实性，也称为单个动作的准确性，是指运动过程中每个动作符合实际的骨骼状态，这主要由关节点的位置和骨骼间的夹角来决定。整套动作的连贯性和自然性是指虚拟角色的动作，从视觉角度上接近于真实世界中的动作，除了骨骼状态符合外，还包括该动作发生的时间与现实世界中的动作具有同步性，从而使虚拟角色的运动看起来更为真实。也就是说，在正确的时间里发生正确的动作，这是角色动作设定的最终目的。

目前的动作建立方法有两方面的限制，一方面是这些方法分别使用不同的数据格式，动作捕捉设备获取的动作数据是四元组方式的，视频动作捕捉获取的动作数据是关节点位置方式的，关键帧方式建立的数据是基于旋转角方式的，它们适用的范围各不相同。另一方面是当前的动作数据应用对象，需要在建模过程中，对模型的各段骨骼分别进行建模，而且其建立过程一般是针对特定角色进行，要求数据源的角色拓扑结构和目标角色的拓扑结构和关节点一一对应，从而在运动仿真过程中对每段骨骼驱动其绕前端关节点旋转，这更进一步限制了运动数据的使用范围。

本章针对虚拟角色的动作配置困难，且现有动作数据的共享性低的问题，提出一种基于动作迁移的角色驱动方法。该方法将专业设备捕捉、视频动作捕捉获得的动作数据，以及现有动画系统中的动作数据，转换为统一的基于关节点旋转角的动作数据。将源角色的动作状态和动作时间一起迁移到指定的虚拟角色上，使两角色在同一时刻具有相同的动作，减少虚拟角色仿真中繁琐的动作配置。通过叠加无配对的关节点旋转角，实现不同拓扑结构的两个角色间可以进行动作迁移。采用“2D→3D→2D”转换方法，配准两角色的姿态，实现从二维角色到二维角色的动作迁移，使动作迁移目标不仅包含三维角色，还可以应用于二维角色。(www.xing528.com)

本章的其他部分内容如下：

（1）介绍关于动作建立和动作驱动的相关技术；

（2）详细给出基于关节点旋转角的动作迁移方法；

（3）介绍基于动作迁移的角色驱动算法具体实现；

（4）通过实验验证通过基于关节点旋转角的动作迁移方法的有效性，用实验数据说明该方法可以使虚拟角色学习现有角色的动作。